基于BIM的公路工程全生命周期平臺框架及關(guān)鍵技術(shù)研究

孫士成

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的快速發(fā)展，各個基建行業(yè)加快對信息化、數(shù)字化的建設(shè)。近年來，BIM（Building Information Modeling）技術(shù)在國內(nèi)建筑行業(yè)實現(xiàn)了快速的發(fā)展，如鳳凰傳媒中心、上海中心、大興機場等項目中都實現(xiàn)了成功的實踐應(yīng)用。但BIM于公路行業(yè)，尚處于初期階段。隨著公路工程管理系統(tǒng)規(guī)模日益增大，傳統(tǒng)的信息管理平臺在應(yīng)對這種復(fù)雜系統(tǒng)時，不可避免地會產(chǎn)生性能降低、拓展性變差和運營維護困難等問題，限制了系統(tǒng)平臺的適應(yīng)性和實用性[1]。

為了滿足當(dāng)前公路工程項目的切實需求，管理平臺框架升級成為推進公路行業(yè)數(shù)字化、智能化的必要條件。此外，因BIM技術(shù)具有全生命周期、開放、共享等特點，已成為評價項目平臺系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)。為此構(gòu)架基于BIM的公路工程全生命周期平臺框架，并對照公路工程行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用中的問題和需求，研究對應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)和實踐應(yīng)用，并在項目設(shè)計階段開始，到后期的施工和運維階段，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，推進工程建設(shè)項目管理的標(biāo)準(zhǔn)化、精細化、集約化和智能化發(fā)展，可為公路工程信息數(shù)字化管理以及集成應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[2]。

1 概述

1.1 公路工程特點

公路工程有其自身的典型特點。公路工程點多面廣、呈線形結(jié)構(gòu)和廊道屬性[3]。公路沿線地形地質(zhì)復(fù)雜，涉及生態(tài)敏感點和旅游景區(qū)較多，牽涉的地方管理部門眾多。項目體量大，涉及專業(yè)多，項目沿線常常穿越多個規(guī)劃區(qū)，與地方鐵路和公路多有交叉，對設(shè)計質(zhì)量要求高。施工工點散，協(xié)同復(fù)雜，對施工管控要求高。公路工程項目多為交通、旅游結(jié)合的項目，對后期運營養(yǎng)護要求高[4]。

1.2 BIM技術(shù)在公路工程中的發(fā)展

隨著工程基建行業(yè)信息化技術(shù)的迅速發(fā)展和推廣，在現(xiàn)階段高標(biāo)準(zhǔn)、高精度的建設(shè)目標(biāo)下，國家到地方多次發(fā)布系列政策推進BIM技術(shù)在公路行業(yè)的應(yīng)用。近年來，交通運輸部編制了《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》、《公路工程信息模型設(shè)計應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》、《公路工程信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》等多部公路行業(yè)的BIM標(biāo)準(zhǔn)[5]。隨著這些公路工程BIM標(biāo)準(zhǔn)于2021年6月的發(fā)布實施，BIM技術(shù)在公路行業(yè)領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展，部分專業(yè)已逐步成熟，基本可以貫穿公路工程“建管養(yǎng)運”一體化全生命周期過程[6]。

2 公路工程BIM技術(shù)應(yīng)用的問題

2.1 無全生命周期的數(shù)據(jù)傳遞

現(xiàn)階段，在公路工程建設(shè)的各個階段，各家企業(yè)都開展了大量的BIM技術(shù)應(yīng)用，如設(shè)計企業(yè)的BIM協(xié)同設(shè)計，施工企業(yè)的4D進度模擬、安全質(zhì)量管理等，并在此過程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)和信息。這些數(shù)據(jù)和信息涵蓋了模型、圖紙、文檔、視頻等方面。但各家企業(yè)在應(yīng)用BIM技術(shù)時，由于需求、使用場景和應(yīng)用目標(biāo)的不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的管理、格式不統(tǒng)一。設(shè)計階段的模型和數(shù)據(jù)信息無法向施工階段有效傳遞，同樣施工階段的模型和數(shù)據(jù)信息也無法向運維階段進行有效傳遞，導(dǎo)致公路工程建設(shè)全生命期各階段數(shù)據(jù)無法真正互通，產(chǎn)生了大量的階段性信息孤島。

2.2 無有效地協(xié)同和管控

設(shè)計階段，各家設(shè)計企業(yè)還是采用傳統(tǒng)設(shè)計管理模式，對設(shè)計的進度和質(zhì)量無法起到有效管控。BIM方式的設(shè)計模型協(xié)同雖然可以整合各專業(yè)的設(shè)計成果，在很大程度上減少設(shè)計的錯漏碰缺、提高設(shè)計效率和質(zhì)量，但這僅僅是設(shè)計協(xié)同的一方面。在設(shè)計過程中，不同參與方如建設(shè)單位、政府管理部門可能需要從設(shè)計之初就參與到項目過程中來。同時，設(shè)計的成果校審、質(zhì)量管控也需要不同的角色人員采用BIM的方式共同參與，這是設(shè)計協(xié)同的另一方面[7]?，F(xiàn)階段，大多數(shù)企業(yè)僅實現(xiàn)了BIM模型協(xié)同一個方面，包括進度、質(zhì)量等的設(shè)計管理還是沿用原有傳統(tǒng)的項目管理模式，這和基于BIM的協(xié)同設(shè)計理念是不完全一致的。企業(yè)對設(shè)計的進度和質(zhì)量也無法起到有效管控。由于管理模式的不適應(yīng)而引起的BIM協(xié)同設(shè)計返工是不可避免的。BIM技術(shù)在設(shè)計階段的價值無法得到充分體現(xiàn)。

施工階段，利用BIM進行工程建設(shè)的進度管理、工程量統(tǒng)計、材料管理、質(zhì)量和安全管理等單個方向上已經(jīng)有了大量的應(yīng)用案例，但這些應(yīng)用都不成體系[8]。尚無一個完整的成套系統(tǒng)能將這些功能進行集中管理，工程建設(shè)的各不同參與方，如業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理等無法通過統(tǒng)一的平臺架構(gòu)實現(xiàn)建設(shè)全過程BIM技術(shù)的綜合應(yīng)用。

運維管理協(xié)同階段，目前在公路工程行業(yè)內(nèi)缺乏一個完整的運維系統(tǒng)，且不能繼承施工階段傳遞來的BIM模型及各類數(shù)據(jù)和信息。無法通過一個統(tǒng)一平臺對各種設(shè)備、照明、視頻監(jiān)控、綜合布線、消防等系統(tǒng)進行有效的、可視化管理，BIM技術(shù)在公路工程建設(shè)全生命期的價值無法最大化發(fā)揮[9]。

2.3 無行業(yè)層面的共享

公路行業(yè)內(nèi)各家企業(yè)通過近年來在BIM技術(shù)上的應(yīng)用和研發(fā)形成了大量的研究成果，如道路、橋梁、隧道等領(lǐng)域的BIM設(shè)計工具系統(tǒng)，工程建設(shè)中的橋梁與隧道工程項目建設(shè)管理系統(tǒng)等。這都較大地促進了工程項目的設(shè)計和建設(shè)效率，保障了工程質(zhì)量，提升了企業(yè)的競爭力[10]。但這些企業(yè)自有的研究成果還沒有在公路行業(yè)層面實現(xiàn)開放和共享，不可避免地導(dǎo)致了各家重復(fù)投資人力、物力、財力開展類似工作及重復(fù)性建設(shè)，無法實現(xiàn)資源的合理配置和高效利用。

2.4 開放包容度低

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”思維的不斷發(fā)展，社會上“豬八戒工程網(wǎng)”等平臺公司已經(jīng)開始對傳統(tǒng)的工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)動攻勢，新技術(shù)、新模式、新生態(tài)對公路行業(yè)各單位的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，如何利用好“互聯(lián)網(wǎng)+”這一時機，制定一套開放包容的工作機制，充分吸納行業(yè)內(nèi)、外各類優(yōu)勢資源，實現(xiàn)公路行業(yè)的跨越式發(fā)展，是當(dāng)前亟待研究和解決的問題。

3 全生命周期平臺架構(gòu)

基于以上思考，構(gòu)建基于BIM的公路工程全生命周期平臺架構(gòu)，如圖1所示。

平臺總體框架，通過對基于服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)、云服務(wù)部署模式、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)交換方式、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、BIM+GIS等技術(shù)的研究，完成松耦合結(jié)構(gòu)的總體框架設(shè)計。平臺實現(xiàn)用戶管理、人員培訓(xùn)、產(chǎn)品發(fā)布、產(chǎn)品審核、資源交易等功能。確保平臺各系統(tǒng)之間的服務(wù)能夠順利與外部各系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)各功能間的調(diào)用，為設(shè)計、施工及運維系統(tǒng)提供基礎(chǔ)框架支撐。平臺架構(gòu)主要包括BIM設(shè)計系統(tǒng)、BIM施工系統(tǒng)和BIM運維系統(tǒng)。

BIM設(shè)計系統(tǒng)，在基于BIM的工程項目全生命周期開放式協(xié)同共享平臺總體架構(gòu)下，以滿足設(shè)計階段各相關(guān)參與方在同一工作空間開展BIM協(xié)同設(shè)計為目標(biāo)，建立協(xié)同工作機制，對接項目策劃技術(shù)，封裝管理流程，搭建基于互聯(lián)網(wǎng)的BIM設(shè)計系統(tǒng)[11]。平臺實現(xiàn)設(shè)計工作策劃、人員及成果文件的集成化管理。

BIM施工系統(tǒng)，以滿足施工階段多項目、多參與方的建設(shè)管控需求為目標(biāo)，承接施工深化BIM模型，對接施工組織計劃，集成專業(yè)施工技術(shù)，搭建參與各方以模型及其同源數(shù)據(jù)為核心的BIM施工協(xié)同管理系統(tǒng)[12]。系統(tǒng)配套建設(shè)施工BIM模型與施工進度、質(zhì)量、安全、計量支付、文檔等相結(jié)合的管理應(yīng)用。BIM施工系統(tǒng)基于公路工程項目可開展BIM模型與移動應(yīng)用等相結(jié)合的專項技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)工程建設(shè)過程一體化數(shù)字管控。

BIM運維系統(tǒng)，以滿足承接竣工模型及資產(chǎn)、文檔的數(shù)字化交接為目標(biāo)，承接竣工信息模型，搭建運維協(xié)同管理系統(tǒng)，配套建設(shè)公路工程設(shè)備資產(chǎn)及文檔信息管理應(yīng)用。

4 關(guān)鍵技術(shù)及案例實踐

基于本平臺框架，對平南高速項目進行關(guān)鍵技術(shù)的實踐應(yīng)用，驗證其合理性、可行性及有效性。平南高速是廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃布局中“縱10線”的重要組成部分。該項目起于百色平果市四塘鎮(zhèn)，終至南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)石埠北立交，全長約85 km，采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計時速120 km，項目主要建設(shè)內(nèi)容包括路面、橋梁涵洞、隧道、交通安全設(shè)施、綠化以及環(huán)境保護、房建等工程。

4.1 數(shù)字信息在各階段管理系統(tǒng)中高效流傳

面向本公路工程的覆蓋包括策劃、規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維的全生命周期各階段。項目面向政府管控方、建設(shè)方、設(shè)計方、施工方、設(shè)備材料提供方、運維方等項目利益相關(guān)方提供的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)。平臺框架研究BIM的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)管理技術(shù)，建立基于BIM多元異構(gòu)數(shù)據(jù)管理方法。解決設(shè)計階段數(shù)據(jù)成果向施工階段、施工階段向運維階段傳遞的問題，消除信息孤島，實現(xiàn)本工程項目全生命周期BIM數(shù)據(jù)傳遞。

4.2 BIM設(shè)計、施工協(xié)同、運維集成

面向本公路項目包括設(shè)計、施工、運維的3個最核心的階段，平臺架構(gòu)系統(tǒng)性滿足設(shè)計協(xié)同、施工管控和運維數(shù)據(jù)集成的核心需求。基于BIM的設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，解決BIM模式下多方設(shè)計協(xié)調(diào)管理的問題，真正實現(xiàn)多參與方、多終端、跨區(qū)域的設(shè)計協(xié)同。研究基于BIM的施工系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，通過對工程建設(shè)階段的進度、質(zhì)量、安全等功能的統(tǒng)一管理，解決BIM應(yīng)用零散、不系統(tǒng)等問題，實現(xiàn)多項目綜合規(guī)劃、協(xié)作管理。研究基于BIM的運維系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，對工程項目設(shè)計、施工過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)信息進行有效繼承和集成，打通工程項目從設(shè)計至運維全生命期BIM應(yīng)用。

4.3 基于BIM的知識成果開放、共享機制

基于本項目，平臺架構(gòu)實現(xiàn)BIM知識成果開放、共享機制，打破傳統(tǒng)工作協(xié)作模式，形成資源共建、共享、共用的合力。在當(dāng)今“互聯(lián)網(wǎng)+”大市場中，平臺架構(gòu)打造本公路工程項目的生態(tài)系統(tǒng)，解決重復(fù)投入、重復(fù)建設(shè)等資源浪費問題。

4.4 基于BIM的工作眾包

對于本項目工作任務(wù)的工作量大、分類雜、專業(yè)多等特點。平臺架構(gòu)創(chuàng)新性的推行眾包模式下的任務(wù)發(fā)布、任務(wù)分配、任務(wù)管理等的工作機制，制定BIM眾包下的業(yè)務(wù)流程及其商業(yè)模式。基于該BIM工作眾包系統(tǒng)，行業(yè)內(nèi)外可以在網(wǎng)頁端、PC端、移動端同時訪問同一個工作包下的BIM模型，實現(xiàn)跨平臺和跨終端的多源數(shù)據(jù)融合和共享。工作眾包將充分吸納公路行業(yè)內(nèi)外部各類資源，實現(xiàn)整個行業(yè)的跨越式發(fā)展，見圖2。

圖2 基于BIM的工作眾包圖Fig.2 Work crowdsourcing diagram based on BIM

5 結(jié)語

BIM技術(shù)雖然起源于建筑工程，但已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包括公路工程等基建行業(yè)的各個領(lǐng)域。本文剖析BIM技術(shù)在公路行業(yè)中推廣應(yīng)用出現(xiàn)的各階段信息孤島、無有效協(xié)同和管控、無真正開放和共享等問題。這些問題不僅僅是某個專業(yè)或某個企業(yè)的問題，而是整個公路行業(yè)需要深度思考并尋求解決之道的迫切問題。本文提出平臺架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)為解決這些問題提供了思路。

平臺框架系統(tǒng)針對公路工程項目全周期，基于BIM和“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)提供一整套全流程、全專業(yè)的信息化、數(shù)字化、智能化的集成式解決方案。秉承全生命周期、協(xié)同、開放、共享、共建等原則，構(gòu)建基于BIM的公路工程全生命周期平臺框架，旨在分享契合公路工程特點的BIM技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗，為后期公路行業(yè)真正全生命周期數(shù)字化建設(shè)和管理提供參考。